Chương 2: Nguyên lý làm việc giữa phần cứng và phần mềm · Hình 2-11 Địa chỉ bộ nhớ được sắp xếp tới mỗi vị trí trong bộ nhớ, và những

1

Chương 2:

Nguyên lý làm việc

giữa phần cứng và phần mềm

Mục tiêu

Trong chương này, bạn sẽ học:

• Cách hệ điều hành quản l{ phần cứng

• Cách tài nguyên hệ thống hỗ trợ việc trao đổi thông tin giữa phần cứng và phần mềm

• Các bước trong quá trình khởi động máy

2

Cách hệ điều hành quản l{ phần cứng

3

Cách hệ điều hành quản l{ phần cứng

• Hệ điều hành điều khiển máy tính

– Quản l{ phần cứng

– Chạy các ứng dụng

– Cung cấp giao diện cho người dùng

– Lưu trữ, đọc và xử l{ các tệp tin

4

Cách hệ điều hành quản l{ phần cứng (tiếp)

5

Hình 2-1 Người sử dụng và các ứng dụng liên hệ với tất cả các thành phần phần cứng

qua hệ điều hành

6

Hình 2-2 Một hệ điều hành liên hệ với phần cứng thông qua BIOS

và các chương trình điều khiển (driver) thiết bị

Cách hệ điều hành quản l{ phần cứng (tiếp)

Cách hệ điều hành sử dụng các trình điều khiển thiết bị

• Được lưu trong ổ cứng

• Được cài đặt sau khi cài đặt hệ điều hành lần đầu tiên hoặc khi lắp đặt phần cứng

• Thường được viết riêng cho từng hệ điều hành

7

• Ba loại 16-bit chế độ thực: Windows 95, Windows 98 32-bit chế độ bảo vệ: Windows 95, 98, ME, NT/2000/XP, WIN7 64 bit chế độ bảo vệ: Win 7, Win 8

• Phải kiểm tra tính tương thích với phần cứng của hệ điều hành khi cài đặt thiết bị trên hệ thống Windows 2000/XP/WIN7

8


9

Hình 2-3 Một thiết bị ví dụ như ổ CD-ROM này được đóng gói với trình điều khiển thiết bị được

lưu trên một đĩa mềm hoặc thiết bị vật lý khác. Thay vào đó, cũng có thể sử dụng trình

điều khiển thiết bị được xây dựng trong hệ điều hành


10

Hình 2-4 Tải những trình điều khiển thiết bị mới nhất từ Web site của nhà sản xuất


• Hệ điều hành sử dụng BIOS đối với các thiết bị đơn giản

• Trình điểu khiển thiết bị chạy nhanh hơn so với BIOS hệ thống

11


12

Hình 2-5 Sử dụng menu chính thiết lập BIOS (BIOS setup main menu) để Award BIOS

thiết lập cấu hình một số thiết bị được điều khiển bởi BIOS hệ thống.


13

Hình 2-6 Sử dụng màn hình thiết lập Award BIOS này để thiết lập cấu hình một số thiết bị

vào/ra, bao gồm các cổng nối tiếp, cổng song song và cổng hồng ngoại.


Các loại BIOS

14

15

Tài nguyên hệ thống

• Là công cụ được phần cứng hoặc phần mềm sử dụng để trao đổi thông tin với phần kia

16

• Có 4 kiểu tài nguyên hệ thống

– Số yêu cầu ngắt (Interrupt request numbers -IRQs)

– Địa chỉ bộ nhớ

– Địa chỉ vào/ra (Input/Output - I/O)

– Các kênh truy cập bộ nhớ trực tiếp: Cache,

17


Tài nguyên hệ thống Mô tả

Đường yêu cầu ngắt (Interrupt

request - IRQ)

Một đường trong đường truyền của bo mạch chủ mà thiết bị

phần cứng có thể sử dụng để gửi tín hiệu đến CPU, thông

báo thiết bị cần được chú ý. Một số đường có độ ưu tiên

cao hơn so với những đường khác. Mỗi đường IRQ được

gán cho một số (từ 0 tới 15) để nhận dạng.

Địa chỉ vào/ra Là số được gán cho các thiết bị phần cứng, phần mềm sử

dụng các số này để gửi lệnh đến thiết bị. Mỗi thiết bị "nghe"

trên các số này và trả lời theo các số đã được gán cho nó.

Địa chỉ vào/ra được truyền trên đường truyền địa chỉ.

Địa chỉ bộ nhớ Những số được gán cho bộ nhớ vật lý trong các chíp RAM

hoặc các chíp ROM. Phần mềm có thể truy cập bộ nhớ

bằng cách sử dụng các địa chỉ này. Địa chỉ bộ nhớ được

được truyền trên đường truyền địa chỉ.

Cache Cache laø nôi löu tröõ boä nhôù nhanh thường nẳm trong

CPU, hay trên Mainboard dùng làm bộ đệm cho CPU và bộ

nhớ

18

Bảng 2-1: Các tài nguyên hệ thống được phần mềm và phần cứng sử dụng


19

Hình 2-7 Bus bao gồm: bus dữ liệu, bus địa chỉ và bus điều khiển

Bus dữ liệu

Bus địa chỉ

Những dòng bus địa chỉ và bus dữ liệu mang

các bit hoạt động đồng thời, tất cả các dòng

cùng hoạt động với nhau

Bus

điều khiển

Những dòng trên bus

điều khiển hoạt động

độc lập với nhau


Số yêu cầu ngắt (IRQ) • Phương pháp cho phép một thiết bị phần

cứng gửi tín hiệu tới CPU yêu cầu sự chú {

• Một ngắt phần cứng

– Do thiết bị tạo ra khi nó đặt mức điện thế trên đường IRQ đã được chỉ định riêng cho nó

20

IRQ Địa chỉ vào ra Thiết bị

0 0040 – 005F Đồng hồ hệ thống

1 0060 – 006F Điều khiển bàn phím

2 00A0 – 00AF Truy nhập IRQ lớn hơn 7

3 02F8 – 02FF Cổng COM 2 (xem trong chương 8)

Bảng 2-2 Các ngắt và địa chỉ vào/ra cho các thiết bị (còn tiếp)

21

Số yêu cầu ngắt (IRQ)

IRQ Địa chỉ vào ra Thiết bị

3 02E8 – 02EF Cổng COM 4 (xem trong chương 8)

4 03F8 – 03FF Cổng COM 1 (xem trong chương 8)

4 03E8 – 03EF Cổng COM 3 (xem trong chương 8)

5 0278 – 027F Card âm thanh hoặc cổng song song LPT 2 (xem trong chương 8)

6 03F0 – 03F7 Bộ điều khiển ổ đĩa mềm

7 0378 – 03F7 Cổng song song cho máy in LPT 1 (xem trong chương 8)

8 0070 – 007F Đồng hồ thời gian thực

9-10 Chưa dùng

11 SCSI hoặc chưa dùng

12 0238 – 023F Chuột trên bo mạch chủ

13 00F8 – 00FF Bộ đồng xử lý toán học

14 01F0 – 01F7 Ổ đĩa cứng IDE (xem trong chương 7)

15 0170 – 017F Ổ đĩa cứng IDE thứ hai hoặc chưa dùng (xem trong chương 7)

Bảng 2-2 Các ngắt và địa chỉ vào/ra cho các thiết bị (tiếp theo)

22


23

Hình 2-8 Mạch điều khiển IRQ sử dụng IRQ thứ hai để báo hiệu cho mạch điều khiển IRQ thứ nhất


24

Hình 2-9 Dùng Device Manager để xem hệ thống của bạn sử dụng IRQs và các tài nguyên

hệ thống như thế nào


25

Hình 2-10 Windows 9x Device Manager thể hiện những chỉ định hiện tại cho

tài nguyên hệ thống

Những IRQ 8 đi qua 15

xếp tầng đến IRQ 2


Địa chỉ bộ nhớ

26

Địa chỉ bộ nhớ • Hệ điều hành coi bộ nhớ tương tự một

danh sách dài các ô dùng để chứa dữ liệu và lệnh

• Mỗi ô được gán cho một số

– Bắt đầu bằng số 0

27

Địa chỉ bộ nhớ (tiếp)

28

Hình 2-11 Địa chỉ bộ nhớ được sắp xếp tới mỗi vị trí trong bộ nhớ, và những vị trí này có thể

lưu dữ liệu hoặc chỉ dẫn

Địa chỉ vào/ra

• CPU “nhận biết” một thiết bị phần cứng như một nhóm các địa chỉ vào/ra

• IBM đã thực hiện gán nhiều địa chỉ cho ổ cứng, ổ mềm, bàn phím trong những năm 70

29

• Ghi nhớ những địa chỉ vào/ra đầu tiên trong dải địa chỉ vào/ra cho những thiết bị quan trọng

• Các thiết bị cắm là chạy có thể sử dụng địa chỉ vào/ra bất kz hoặc IRQ đã được chỉ định trong khi khởi động

30


31

Hình 2-12 Các dòng địa chỉ vào/ra trên một bus hoạt động giống như một nhóm dây điện thoại cũ, tất cả các

công cụ đều “nghe” được địa chỉ đó, nhưng chỉ một được trả lời

CPU truyền một tín hiệu

trên bus nói rằng “Địa chỉ

vào/ra ở trên dòng địa chỉ

Tất cả những mạch

điều khiển công cụ vào/ra

đều nghe địa chỉ của chúng

CPU truyền một

địa chỉ vào/ra

Công cụ sở hữu địa

chỉ đó trả lời


Cache • Cache laø nôi löu tröõ boä nhôù nhanh

nhöng khaù ñaét tieàn, noù löu döõ lieäu gaàn

vôùi CPU ñeå truy caäp nhanh.Thöôøng

ñöôïc chia laøm 2 loaïi cache level 1 (coøn

goïi laø cache noäi) vaø cache level 2 ,

cache levl 3 (goïi laø cache môû roäng hay

cache ngoaïi).

32

Cache Level 1 • Cache L1(internal cache): Naèm trong

CPU, dung löôïng nhoû nhöng toác ñoä cao,

cung caáp thöôøng xuyeân cho CPU veà döõ

lieäu vaø nhöõng chæ daãn.

33

Cache level 2 & 3

34

Cache L2, L3 (external cache): Dung

löôïng lôùn hôn so vôùi cache L1 vaø toác ñoä

cuõng chaäm hôn so vôùi L1. Thöôøng naèm

treân mainboard hay caùc card môû roäng, coù

dung löôïng töø 64KB -> 2MB,cho cache

L2 va -> 8MB cho cache L3, laø boä ñeäm

giöõa boä xöû lyù vaø boä nhôù môû roäng (hieän

nay cache L2 coøn ñöôïc thieát keá naèm

trong moät soá hoï CPU ñeå giaûm thôøi gian

chôø cuûa CPU).

Các công cụ của hệ điều hành để kiểm tra hệ thống

• Phần mềm quản l{ thiết bị

– Công cụ cung cấp thông tin về các thiết bị

• Thông tin hệ thống

– Thông tin giúp cho việc khắc phục sự cố

35

36

Hình 2-14 Device Manager cho bạn những thông tin về các công cụ


37

Hình 2-15 Hệ thống thông tin cho bạn những thông tin về hệ thống rất

hữu ích khi gặp sự cố


Khởi động máy tính • Khởi động cứng hoặc khởi động nguội: bật

điện bằng công tắc nguồn

– Tác động mạnh hơn lên hệ thống vì điện bị tắt đi sau đó bật lại

38

• Khởi động mềm hoặc khởi động nóng: sử dụng hệ điều hành để khởi động lại

– Nhanh hơn

– Là phương pháp nên dùng để khởi động máy tính

39

Khởi động máy tính

Khởi động các điều khiển của BIOS - bước đầu tiên của quá trình khởi động

1. BIOS khởi động chạy chương trình Tự kiểm tra khi bật điện (POST) và gán các tài nguyên hệ thống

2. ROM BIOS chạy chương trình tìm và nạp hệ điều hành

40

3. Hệ điều hành cấu hình hệ thống và hoàn thành việc nạp bản thân nó

4. Nạp các phần mềm ứng dụng và thực thi

41


42

Hình 2-17 Bước khởi động 1: Chương trình khởi động ROM BIOS khảo sát tài nguyên và như cầu

ổ cứng và sắp xếp tài nguyên hệ thống để thoả mãn nhu cầu đó


POST và việc gán các tài nguyên hệ thống

• Khi bật điện, đồng hồ hệ thống bắt đầu tạo ra các xung nhịp đồng hồ

• CPU bắt đầu làm việc và khởi động bản thân nó (đặt lại các giá trị bên trong của CPU)

43

• CPU chỉ đến địa chỉ bộ nhớ FFFF0h

– Địa chỉ bộ nhớ luôn được gán cho lệnh đầu tiên của chương trình khởi động trong ROM BIOS

• Lệnh này chỉ thị CPU chạy trình POST

44


• POST

1. Kiểm tra chương trình BIOS gọi nó

2. Sau đó kiểm tra CMOS RAM

• Kiểm tra xem pin còn hoạt động

45


• Các ngắt phần cứng bị vô hiệu

– Nhấn một nút trên bàn phím hoặc sử dụng thiết bị nhập liệu bất kz thời điểm này sẽ không có tác dụng gì

• Việc kiểm tra được chạy trên CPU

– CPU được khởi động tiếp

46


• Việc kiểm tra sẽ xác định đây có phải là khởi động lạnh

• Nếu đúng:

– 16K RAM đầu tiên được kiểm tra

– Các thiết bị phần cứng được lắp trên máy tính được kiểm kê và so sánh với thông tin cấu hình

47


– Màn hình, bộ nhớ, bàn phím, ổ mềm, ổ cứng, các cổng và các thiết bị phần cứng khác được kiểm tra và cấu hình

– IRQ, các địa chỉ vào/ra, và việc gán DMA được thực hiện

– Hệ điều hành sau đó sẽ hoàn tất quá trình này

48


• Một số thiết bị được đặt ở chế độ “ngủ” để tiết kiệm điện

• Bộ điều khiển DMA được kiểm tra

• Bộ điều kiển ngắt được kiểm tra

49


• Chương trình thiết lập CMOS (là chương trình BIOS dùng để thay đổi thông tin thiết lập CMOS) được chạy nếu có yêu cầu

• BIOS bắt đầu tìm kiếm hệ điều hành

50


Cách BIOS tìm và nạp hệ điều hành

• BIOS khởi động kiểm tra trong thiết lập CMOS để xác định thiết bị khởi động

• Tìm kiếm Master Boot Record (MBR) có chương trình khởi động và bảng phân vùng

51

• Bản ghi khởi động hệ điều hành nạp tệp chương trình đầu tiên

– Windows NT/2000/XP/Win7: Ntldr

– Windows 9x: Io.sys

• Chương trình nạp hệ điều hành bắt đầu quá trình nạp hệ điều hành vào bộ nhớ

52


Cách BIOS tìm và nạp hệ điều hành (tiếp)

53

Hình 2-18 BIOS dùng CMOS RAM để xác định vị trí tìm kiếm một OS

54

Hình 2-19 Một ổ cứng có thể chứa nhiều hơn một ổ logíc; bảng thành phần ở đầu ổ chứa

thông tin về vị trí của mỗi ổ logíc, chỉ rõ ổ khởi động, và giữ chương trình

khởi động chủ vốn để khởi động quy trình tải một hệ điều hành

Ổ cứng

phần đầu ổ cứng

Chương trình MBR

Bảng phân vùng cung

cấp thông tin

về vị trí ổ logíc

Xác định ổ khởi động

Ổ C bắt đầu tại đây với bản ghi

khởi động hệ điều hành


Tóm tắt nội dung đã học • Cách hệ điều hành quản l{ phần cứng

– Các trình điều khiển thiết bị và BIOS hệ thống

• Tài nguyên hệ thống

– IRQ, Địa chỉ bộ nhớ, Địa chỉ vào/ra, các loại Cache

• Các công cụ kiểm tra hệ thống của hệ điều hành

• Khởi động máy tính

– BIOS khởi động, POST, hệ điều hành 55

Documents

Chương 2: Nguyên lý làm việc giữa phần cứng và phần mềm · Hình 2-11 Địa chỉ bộ nhớ được sắp xếp tới mỗi vị trí trong bộ nhớ, và những